自旋极化扫描隧道显微术

介绍一种新近发展起来的用于磁性表面磁成像技术－自旋极化扫描隧道显微术。该技术结合了扫描隧道显微术的原子分辨和其他磁成技术中的自旋灵敏的特点，成为人们深入开展纳米磁性领域研究的强有力工具。     

自旋极化扫描隧道显微术

自旋极化扫描隧道显微术是一种新兴的表面自旋分辨技术，文章主要介绍了自旋极化的扫描隧道显微镜和扫描隧道谱实现表面自旋分辨的原理以及在各种磁性表面研究中的应用，采用自旋极化技术的扫描隧道显微镜可以测量表面磁结构，其空间分辨可以达到原子尺度，分辨率超过其他磁显微技术，而自旋极化扫描隧道谱不但可以分辨空间精细磁畴结构，而且能研究表面态的交换劈裂，文章作者还进一步提出了利用自旋极化扫描隧道显微镜实现自旋注入的设想。     

自旋极化扫描隧道显微镜的研究进展

自旋极化扫描隧道显微镜(spin-polarized scanning tunneling microscope,SP-STM)将扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM)的实空间分辨率和对自旋敏感的磁成像技术结合起来,已经成为人们研究纳米磁性物理的最有效工具之一.文章介绍了SP-STM的工作原理及其在低维磁性物理领域的应用和最新进展,如对磁性薄膜、磁性纳米岛、磁性原子及不共线结构的研究等,并对我国在这一领域的研究现状和发展前景进行简要评述.     

二维磁结构的扫描隧道显微术研究

文章介绍了近年来利用扫描隧道显微术（STM）对表面和薄膜磁结构的研究进展。二维或表面磁结构可以通过在非磁性单晶上外延磁性单原子层薄膜形成，也可以在清洁的磁性单晶表面形成。利用磁性的STM针尖可以观测到原子分辨的表面磁结构。这将增进人们从纳米尺度对磁性的理解，并推动磁电子学的发展。     

基于赫斯勒合金Co_2MnSi电极的磁性隧道结呈现巨磁阻效应（英文）

本文基于电子密度泛函理论计算和非平衡态格林函数技术研究了具有三明治结构的磁性隧道结构(非极化SrTiO_3薄层被夹在两个赫斯勒合金Co_2 MnSi电极之间)的自旋极化输运特性.理论计算结果清楚地表明磁平行组态的磁性隧道结呈现出几乎完美的自旋过滤效应.磁反平行组态的隧穿系数比磁平行组态的隧穿系数小几个数量级,导致体系的磁阻比高达10~6.电子结构计算分析表明该磁性隧道结的巨磁阻效应源自赫斯勒合金Co_2MnSi电极内在的半金属性、以及阻挡层和电极之间界面处过渡金属原子3d电子的显著自旋极化.     

多层结构双自旋过滤隧道结中的电子输运特性

在转移矩阵方法及Mireles和Kirczenow的量子相干输运理论的基础上,研究了正常金属层/磁性半导体层/非磁绝缘层/磁性半导体层/正常金属层型双自旋过滤隧道结中Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应对自旋相关输运的影响.讨论了隧穿磁电阻（TMR）、隧穿电导与各材料层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性半导体中磁矩的相对夹角θ之间的关系.研究表明：含磁性半导体层的双自旋过滤隧道结由于磁性半导体层的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合作用可获得极大的TMR值.另外TMR和隧穿电导随着Rashba自旋轨道耦合强度的变化而振荡,振荡周期随Rashba自旋轨道耦合强度的增大逐渐减小. 关键词： 双自旋过滤隧道结 Rashba自旋轨道耦合 隧穿磁电阻 隧穿电导     

基于金刚石NV色心的纳米尺度磁场测量和成像技术

纳米级分辨率的磁场测量和成像是磁学中的一种重要研究手段.金刚石中的单个氮-空位点缺陷电子自旋作为一种量子传感器,具有灵敏度高、原子级别尺寸、可工作在室温等诸多优势,灵敏度可以达到单核自旋级别,空间分辨率达到亚纳米.将这种磁测量技术与扫描成像技术结合,能够实现高灵敏度和高分辨率的磁场成像,定量地重构出杂散场.这种新型的磁成像技术可以给出磁学中多种重要的研究对象如磁畴壁、反铁磁序、磁性斯格明子的结构信息.随着技术的发展,基于氮-空位点缺陷的磁成像技术有望成为磁性材料研究的重要手段.     

二维磁性过渡金属卤化物的分子束外延制备及物性调控

二维磁性材料的自发磁化可以维持到单层极限下,为在二维尺度理解和调控磁相关性质提供了一个理想的平台,也使其在光电子学和自旋电子学等领域具有重要的应用前景.晶体结构为层状堆叠的过渡金属卤化物具有部分填充的d轨道和较弱的范德瓦耳斯层间相互作用等特性,是合适的二维磁性候选材料.结合分子束外延(MBE)技术,不仅可以精准调控二维磁性材料生长达到单层极限,而且可以结合扫描隧道显微术等先进实验技术开展原子尺度上的物性表征和调控.本文详细介绍了多种二维磁性过渡金属卤化物的晶体结构和磁结构,并展示了近几年来通过MBE技术生长的二维磁性过渡金属卤化物以及相应的电学和磁学性质.随后,讨论了基于MBE方法对二维磁性过渡金属卤化物的物性进行调控的方法,包括调控层间堆垛、缺陷工程以及构筑异质结.最后,总结并展望了二维磁性过渡金属卤化物研究领域在未来的发展机会与挑战.     

基于赫斯勒合金Co2MnSi电极的磁性隧道结呈现巨磁阻效应

本文基于电子密度泛函理论计算和非平衡态格林函数技术研究了具有三明治结构的磁性隧道结构(非极化SrTiO₂薄层被夹在两个赫斯勒合金Co₂MnSi电极之间)的自旋极化输运特性. 理论计算结果清楚地表明磁平行组态的磁性隧道结呈现出几乎完美的自旋过滤效应. 磁反平行组态的隧穿系数比磁平行组态的隧穿系数小几个数量级,导致体系的磁阻比高达10⁶. 电子结构计算分析表明该磁性隧道结的巨磁阻效应源自赫斯勒合金Co₂MnSi电极内在的半金属性、以及阻挡层和电极之间界面处过渡金属原子3d电子的显著自旋极化.     

对称抛物势阱磁性隧道结中的自旋输运及磁电阻效应

研究了两端具有铁磁接触的对称抛物势阱磁性隧道结(F/SPW/F)中自旋相关的隧穿概率和隧穿磁电阻,讨论了量子尺寸效应和Rashba 自旋轨道耦合作用对自旋极化输运特性的影响.研究结果表明:隧穿概率和隧穿磁电阻随抛物势阱宽度的增加发生周期性的振荡.抛物势阱深度的增加减小了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.Rashba 自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.隧穿概率和隧穿磁电阻的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角. 关键词： 磁性隧道结 Rashba 自旋轨道耦合 隧穿概率 隧穿磁电阻     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

磁性隧道结电子输运特性的研究

在Slonczewsik自由电子理论模型下,研究了两铁磁性金属电极被一平面磁性势垒隔开的磁性隧道结零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,研究表明隧道结的磁结构对隧穿电导和隧穿磁阻的值有很大的影响,当两磁性电极分子场方向相同,且都与势垒层分子场反平行时,隧穿电导数值达到最大,两者平行时,其数值最小,同时还分析了分子场的相对取向等对磁性隧道结自旋极化电子输运性质的影响。研究结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义。     

磁性隧道结电子输运特性的研究

在Slonczewsik自由电子理论模型下,研究了两铁磁性金属电极被一平面磁性势垒隔开的磁性隧道结零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,研究表明隧道结的磁结构对隧穿电导和隧穿磁阻的值有很大的影响,当两磁性电极分子场方向相同,且都与势垒层分子场反平行时,隧穿电导数值达到最大,两者平行时,其数值最小,同时还分析了分子场的相对取向等对磁性隧道结自旋极化电子输运性质的影响.研究结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义.     

霍尔天平材料的多场调控

霍尔天平材料中层间耦合作用易于调控,基于此可以实现多组态磁存储模式,其区别于当前基于自旋阀或者磁性隧道结的传统二组态磁存储原理.与此同时,还可以在存储单元中实现信息的逻辑运算从而提高器件整体的运算效率.这一设计有利于自旋电子学器件的微型化、集成化,有望从物理原理上解决当前基于自旋阀或者磁性隧道结的传统二组态自旋电子学材料器件的技术瓶颈,进一步提高磁存储密度,为推动新型自旋电子学材料的研究开辟了一条新的研究思路.首先,本综述将介绍基于霍尔天平材料的磁存储器件的研究背景;其次,重点介绍霍尔天平存储逻辑器件一体化设计的提出与发展历程;再次,介绍霍尔天平材料关键指标-霍尔电阻比值的界面调控及物理机理探索;随后详细阐述霍尔天平体系中磁性斯格明子的产生与多场调控等动态行为.最后,简单介绍霍尔天平结构在其他相关材料中的扩展、应用,并展望其在未来器件应用中的前景.     

铁磁共振磁交换力显微镜

原子间的自旋相互作用力对原子级别磁性纳米构造体的表面磁性质的理解是极为重要的. 磁交换力显微镜是测量表面自旋作用力的重要手段, 但它的缺点一是需要加外部强磁场, 二是不能分离表面形貌和自旋信息, 这就导致材料表面受外部磁场的影响, 而且表面形貌和自旋信息之间相互影响, 使自旋间的相互作用力的检测和成像研究受到限制.为了解决上述问题, 利用原子力显微镜, 并采用微波照射的方法, 根据铁磁共振原理, 分别独立提取磁性材料表面形貌和自旋信息, 称之为铁磁共振磁交换力显微镜, 理论和实验结果表明此方法可以有效地分离两种信息. 铁磁共振磁交换力显微镜可以促进对原子级磁性材料机能的理解以及磁性相关科学领域的进步, 特别是对自旋电子元件的发展有很大的促进作用, 是新世纪高度信息化社会不可缺少的测量技术. 关键词： 原子力显微镜 磁交换力显微镜 自旋 铁磁共振     

磁电子学中的若干问题

本文综述了自旋极化输运过程中巡游电子的自旋极化、自旋相关的散射及自旋弛豫等三方面的内容；全面总结了铁磁金属的磁电阻效应（ＡＭＲ）、磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应（ＧＭＲ）、氧化物铁磁体的特大磁电阻效应（ＣＭＲ）以及磁隧道结的巨大隧道电阻效应（ＴＭＲ）研究中具有代表性的实验结果及理论模型；简单介绍了新生的磁电子器件—磁电阻型随机存取存储器（ＭＲＡＭ）和全金属自旋晶体管的工作原理和工作过程。     

基于金刚石量子传感的纳米磁成像及凝聚态物理应用

作为凝聚态物理的重要方向,磁性的研究不仅是发展自旋电子学器件的基础,也是突破已有材料和器件功能壁垒的关键之一。磁性材料的纳米分辨率成像对认识和理解物质微观性质至关重要。金刚石中的氮—空位(NV)色心是一种对磁信号敏感的原子缺陷,经过十余年的深入研究,其已经发展为兼具高灵敏度和高空间分辨率的磁量子传感器,能够以纳米分辨率对单层磁性材料进行成像。它作为一种广谱(DC-GHz)、高灵敏度(nT/Hz~(1/2))、高空间分辨率(～10 nm,理论极限～1 nm)的磁成像技术,可以对包括二维磁性材料、电流分布、电导率分布乃至单个电子自旋,少数个核自旋进行纳米磁成像。文章从NV色心微观结构和性质出发,介绍其作为量子传感进行磁信号探测和成像的原理;进一步从技术层面介绍谱仪的构成和探针制备;最后选取有代表性的工作,简要介绍NV扫描显微镜在各方面的应用。     

磁电子学中的若干问题

本文综述了自旋极化输运过程中巡游电子的自旋极化、自旋相关的散射及自旋弛豫等三方面的内容;全面总结了铁磁金属的磁电阻效应（ＡＭＲ）、磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应（ＧＭＲ）、氧化物铁磁体的特大磁电阻效应（ＣＭＲ）以及磁隧道结的巨大隧道电阻效应（ＴＭＲ）研究中具有代表性的实验结果及理论模型;简单介绍了新生的磁电子器件—磁电阻型随机存取存储器（ＭＲＡＭ）和全金属自旋晶体管的工作原理和工作过程。     

双势垒磁性隧道结的磁电阻效应及其在自旋晶体管中的应用

利用磁控溅射方法沉积双势垒磁性隧道结多层膜, 其中Al-O势垒层由等离子体氧化1 nm厚的 金属铝膜方式制备，然后采用深紫外光曝光和Ar离子刻蚀技术、微加工制备出长短轴分别为 6和3 μm大小的椭圆形双势垒磁性隧道结（DBMTJ），并在室温和低温下对其自旋电子输运 特性进行了研究. DBMTJ的隧穿磁电阻(TMR)比值在室温和42 K分别达到27％和423％， 结电阻分别为136 kΩ·μm²和175 kΩ·μm²，并在实验中观 察到平行状 态下存在低电阻态及共振隧穿效应，反平行态下呈现高电阻态以及TMR随外加偏压或直流电 流的增加而发生振荡现象. 由此，设计了一种基于这种双势垒磁性隧道结隧穿特性的自旋晶 体管. 关键词： 双势垒磁性隧道结 隧穿磁电阻 共振隧穿效应 自旋晶体管     

光子扫描隧道显微镜的研制与样品的显微成像技术

采用自行研制的光子扫描隧道显微镜的显微实验系统对多种样品进行了表面显微成像研究，获得了关于样品表面三维立体图像信息，通过多种图像处理手段对原始图像进行后期处理，得到了更具视觉效果，更为逼真的样品表面图像，为光子扫描隧道显微镜的广泛应用奠定了技术基础。